直流斩波电路演示文稿

直流斩波电路演示文稿目前一页\总数五十页\编于十五点优选直流斩波电路ppt目前二页\总数五十页\编于十五点直流变换问题的提出直流调速：需要可变的直流电压直流供电电压一定，而负载需要不同电压直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要变换到较高电压再变换为直流引言第5章直流直流变流电路目前三页\总数五十页\编于十五点引言■直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

■直接直流变流电路◆也称斩波电路（DCChopper）。

◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器（DC/DCConverter）

◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。■间接直流变流电路

◆在直流变流电路中增加了交流环节。◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

目前四页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路图5-1降压斩波电路的原理图■降压斩波电路（BuckChopper）

◆电路分析

☞使用一个全控型器件V，图中为IGBT。

☞设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。☞主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。目前五页\总数五十页\编于十五点3.1.1降压斩波电路2)工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接较大电感L。图5-1降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形目前六页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路

√负载电压的平均值为

√负载电流平均值为

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。

☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

(5-1)(5-2)◆基本的数量关系

☞电流连续时目前七页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路◆斩波电路有三种控制方式

☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。

☞频率调制：ton不变，改变T。

☞混合型：ton和T都可调，改变占空比此种方式应用最多电力电子电路的实质上是分时段线性电路。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续目前八页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路■对降压斩波电路进行解析

◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。

◆电流连续时得出式中，，，，，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。

把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得

平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)目前九页\总数五十页\编于十五点3.1.1降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导

由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变

电源只在V处于通态时提供能量，为

在整个周期T中，负载消耗的能量为一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。假设电源电流平均值为I1，则有

其值小于等于负载电流Io，由上式得

即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。(5-14)(5-15)目前十页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路◆电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出

电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为

输出电压平均值为

负载电流平均值为

(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)目前十一页\总数五十页\编于十五点5.1.1降压斩波电路■例5-1在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为输出电流平均值为目前十二页\总数五十页\编于十五点5.1.2升压斩波电路■升压斩波电路

◆工作原理

☞假设L和C值很大。

☞V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

☞V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。储存电能保持输出电压0iGE0ioI1图5-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形

目前十三页\总数五十页\编于十五点设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：化简得：T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路,也称之为boost变换器。 ——升压比；升压比的倒数记作b，即 。b和a的关系：因此，上式可表示为3)数量关系5.1.2升压斩波电路目前十四页\总数五十页\编于十五点5.1.2升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用

电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：电源电流的平均值Io为：目前十五页\总数五十页\编于十五点5.1.2升压斩波电路■例5-3在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：

输出电流平均值为：目前十六页\总数五十页\编于十五点3.1.2升压斩波电路一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中4)升压斩波电路典型应用目前十七页\总数五十页\编于十五点升降压斩波电路(buck-boostChopper)5.1基本斩波电路1)电路结构图5-4升降压斩波电路目前十八页\总数五十页\编于十五点V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。2)工作原理5.1.3升降压斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。otb)oti1i2tontoffILILa)图5-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形

目前十九页\总数五十页\编于十五点稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即所以输出电压为：V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo3.1.3升降压斩波电路3)数量关系目前二十页\总数五十页\编于十五点由电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：由上式得：结论当0<a<1/2时为降压，当1/2<a<1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。3.1.3升降压斩波电路目前二十一页\总数五十页\编于十五点5.1.3.2Cuk斩波电路图5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路

■Cuk斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。

☞V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。

☞输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。目前二十二页\总数五十页\编于十五点V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：3)数量关系5.1.3.2Cuk斩波电路☞由L1和L2的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压E的关系

(5-48)◆与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。目前二十三页\总数五十页\编于十五点5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路■Sepic斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。

☞V关断时，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。

◆输入输出关系

图5-6a)Sepic斩波电路

(5-49)目前二十四页\总数五十页\编于十五点5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路■Zeta斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。

☞V关断时，L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。

◆输入输出关系为

■两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。

图5-6bZeta斩波电路

(5-50)目前二十五页\总数五十页\编于十五点5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5.2.1电流可逆斩波电路5.2.2桥式可逆斩波电路5.2.3多相多重斩波电路目前二十六页\总数五十页\编于十五点5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路电流可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路复合斩波电路—降压斩波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路—相同结构的基本斩波电路组合构成目前二十七页\总数五十页\编于十五点斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。5.2.1电流可逆斩波电路目前二十八页\总数五十页\编于十五点5.2.1电流可逆斩波电路a)图5-7电流可逆斩波电路及其波形a）电路图b）波形

◆电路结构

☞V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。

☞V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。

☞必须防止V1和V2同时导通而导致电源短路。◆工作过程

☞两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。

☞第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。☞第3种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。

☞一个周期内，电流不断，响应很快。

目前二十九页\总数五十页\编于十五点5.2.2桥式可逆斩波电路■桥式可逆斩波电路

◆将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。

◆工作过程

☞V4导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。

☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。图5-8桥式可逆斩波电路

目前三十页\总数五十页\编于十五点5.2.3多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数目前三十一页\总数五十页\编于十五点5.2.3多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图5-9多相多重斩波电路及其波形a）电路图b）波形

■3相3重降压斩波电路

◆电路及波形分析

☞相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。

☞总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。

☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。

目前三十二页\总数五十页\编于十五点5.2.3多相多重斩波电路☞当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路，当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。☞电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。■多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。目前三十三页\总数五十页\编于十五点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。直流斩波电路小结目前三十四页\总数五十页\编于十五点5.3带隔离的直流直流变流电路5.3.1正激电路5.3.2反激电路5.3.3半桥电路5.3.4全桥电路5.3.5推挽电路5.3.6全波整流和全桥整流5.3.7开关电源目前三十五页\总数五十页\编于十五点5.3带隔离的直流直流变流电路·引言图5-10间接直流变流电路的结构■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。■采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因

◆输出端与输入端需要隔离。

◆某些应用中需要相互隔离的多路输出。

◆输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。◆交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。■间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。

目前三十六页\总数五十页\编于十五点如果将变压器插入在P-P’位置，即得正激变换器主电路。降压变换电路正激变换器问题:电源与负载不隔离5.3.1正激电路1正激电路（单端正激变换器）的提出目前三十七页\总数五十页\编于十五点5.3.1正激电路SuSiLiSOttttUiOOO图5-11正激电路的原理图图5-12正激电路的理想化波形■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长。

☞S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为。目前三十八页\总数五十页\编于十五点5.3.1正激电路BRBSBHO图5-13磁心复位过程◆变压器的磁心复位

☞开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断，导致变压器的激磁电感饱和。

☞必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。☞变压器的磁心复位所需的时间为◆输出电压

☞输出滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下

(5-51)(5-52)目前三十九页\总数五十页\编于十五点拓扑推演--从BUCK-BOOST到Flyback变换器BUCK-BOOST变换器电感用两个并联线圈代替改进？反激变换器电路原理图5.3.2反激电路（单端反激变换器）目前四十页\总数五十页\编于十五点5.3.2反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图5-14反激电路原理图图5-15反激电路的理想化波形■反激电路

◆工作过程

☞S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加。

☞S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放，电压为。

◆工作模式

☞当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为

☞S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下，，

所以应该避免负载开路状态。(5-53)目前四十一页\总数五十页\编于十五点5.3.3半桥电路图5-16半桥电路原理图图5-17半桥电路的理想化波形■半桥电路

◆工作过程

☞S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。

☞S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。

☞S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。

目前四十二页\总数五十页\编于十五点5.3.3半桥电路☞由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。◆输出电压

☞滤波电感L的电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下(5-54)目前四十三页\总数五十页\编于十五点5.3.4全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图5-18全桥电路原理图

图5-19全桥电路的理想化波形■全桥电路

◆工作过程

☞全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

☞当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。☞当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。

☞当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。目前四十四页\总数五十页\编于十五点5.3.4全桥电路

☞如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。

☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。

◆输出电压

☞滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

(5-55)目前四十五页\总数五十页\编于十五点5.3.5推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图5-20推挽电路原理图图5-21推挽电路的理想化波形■推挽电路

◆工作过程

☞推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压。

☞S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。☞当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。

目前四十六页\总数五十页\编于十五点5.3.5推挽电路☞如果S1和S2同时导通，就相